CC BY
192
УДК 621.1 65
С.Н. Беседин, Е.И. Окунев, В.А. Рассохин
МИКРОТУРБИННЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТЬЮ 100 КВТ (МТГ-100)
Многообразие потребителей электрической и тепловой энергии и требований к виду и качеству энергообеспечения заставляет по-новому взглянуть на роль автономных энергетических установок малой мощности (от десятков киловатт до нескольких мегаватт) в общей структуре энергетики страны. Учитывая, что в настоящее время в России трудно рассчитывать на изыскание достаточных материальных ресурсов для ввода в эксплуатацию в ближайшие годы новых энергетических станций большой мощности (за исключением завершения строительства ранее начатых объектов), следует большее внимание уделить возможностям инвестиций в малоразмерные распределенные энергетические источники.
За рубежом для децентрализованного обеспечения электрической и тепловой энергией широко используются газотурбинные установки мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен киловатт, применяемые в различных областях энергетики и коммунального хозяйства. Зарубежные установки подобной мощности и экономичности (такие, как Honeywell, Elliott, Capstone (США), а также Turbec (Volvo Aero, Швеция)) имеют на нашем рынке очень высокую стоимость — свыше 1500—2000 долл./ кВт [1], а российские серийные аналоги таких установок отсутствуют. В нашей стране производство подобных установок позволило бы использовать их как автономные источники тепла и электроэнергии в различных секторах экономики: в промышленности, торговле, гражданском и жилом строительстве, фермерском хозяйстве, добыче и транспорте газа и нефти, коммунальном хозяйстве и др. [2, 3].
В Санкт-Петербурге ряд организаций (Научно-технический центр "Микротурбинные технологии", Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (кафедра турбинных двигателей и установок), ООО "Газпром Трансгаз Санкт-Петербург" и ОАО НПО ЦКТИ объединились для решения этой проблемы.
В 2007—2010 годах основные усилия этих организаций были направлены на разработку и создание серии малогабаритных газотурбинных установок с электрической мощностью от 20 до 500 кВт и электрическим КПД более 30 %.
Представленная статья посвящена разработке и изготовлению малогабаритной газотурбинной установки с электрической мощностью 100 кВт.
Для решения поставленных задач необходимо было применить новые технические решения, не характерные для отечественной энергетики. Такие технические решения позволяют обеспечить основные требования к автономным энергетическим установкам и их широкое внедрение. К их числу относятся: высокоэффективные ра-диально-осевые турбины; газодинамические подшипники; теплообменники с высокой степенью регенерации (0,9); высокооборотные электрогенераторы с преобразователем частоты; малотоксичные камеры сгорания.
Тепловая схема газотурбинной установки
Тепловая схема газотурбинной установки приведена на рис. 1. Воздух из атмосферы через систему фильтров входного устройства 6 поступает в центробежный компрессор 2, где сжимается до необходимого давления и затем подается в теплообменник (рекуператор) 8. В теплообменнике происходит подогрев воздуха, после чего он смешивается с углеводородным топливом (10), поданным с помощью топливного насоса 5. Далее полученная однородная смесь попадает в камеру сгорания (КС) 7. Продукты сгорания, имеющие высокую температуру, подводятся в радиально-осевую турбину 3, в которой вырабатывается мощность для привода компрессора 2 и электрогенератора 1.
В преобразователе 4 напряжение электрогенератора преобразуется в электрическое напряжение с необходимыми параметрами.
Выходные газы после турбины отдают теплоту воздуху в теплообменнике системы регене-
Рис. 1. Тепловая схема газотурбинной установки
рации и отводятся в выходное устройство. Для выработки тепловой энергии за турбиной может быть установлен теплофикационный котел 9.
Конструктивная схема турбогенератора малогабаритной газотурбинной установки мощностью 100 кВт
Малогабаритный турбогенератор МТГ-100 (рис. 2) состоит из электрогенератора 1 и малогабаритного турбокомпрессора 2 с газодинамическими подшипниками 3. Теплообменник системы регенерации и камера сгорания выполнены выносными.
По компоновке двигатель (рис. 3) — трех-опорный на газодинамических подшипниках. Два опорных подшипника ^установлены в электрогенераторе, опорно-упорный подшипник 5 — в турбокомпрессоре. Центростремительная турбина 3, центробежный компрессор 2и подшип-
Рис. 2. Конструктивная схема МТГ-100
ники монтируются на одном валу. Указанные элементы соосны с электрогенератором.
Газодинамические лепестковые подшипники
В качестве опорных и упорных элементов ротора используются газодинамические лепестковые подшипники.
Преимущества газодинамических лепестковых подшипников:
сохраняют работоспособность в широком диапазоне температур;
обеспечивают высокую скорость вращения ротора;
исключают необходимость использования специальных смазочных материалов и дополнительного оборудования для обеспечения подачи смазки в зоны контактов ротора и статора;
имеют большой ресурс работы благодаря отсутствию трущихся поверхностей;
экологически чисты, так как в качестве смазки используется окружающий воздух.
Подшипники установлены в следующих местах:
на свободном конце вала генератора—опорный; между активной роторной частью генератора и компрессорным колесом — опорный;
между компрессорным и турбинным колесами — опорно-упорный.
Опорный подшипник состоит из лепестков 2, устанавливаемых в пазах 1 корпуса установки, (рис. 4). В осевом направлении лепестки фиксируются стопорными пружинными кольцами 3. Блок комбинированного подшипника монтируется на дистанционной втулке и устанавливается в корпусе турбины.
Камера сгорания малогабаритной газотурбинной установки
Малые габариты установки и повышенные требования к ее надежности, экономичности и экологическим характеристикам подтверждают целесообразность выбора камеры сгорания выносного типа, имеющую горелку предварительного смешивания с двумя каналами подвода топлива, регулируемыми трактами первичного воздуха и вторым каналом топлива, без системы внутреннего заградительного охлаждения пламенной трубы.
Выносная камера сгорания (рис. 5) состоит из основного корпуса цилиндрической формы 1 и корпуса горелочного фронта 2, в которых расположены пламенная труба 5 и горел очное устройство предварительного смесеобразования 3.
На корпусах расположены патрубки подвода воздуха б и 7. Между корпусами имеется перегородка (10, 77,13), разделяющая полости первичного и вторичного воздуха.
Первичный воздух поступает в горелочное устройство и образует газовоздушную смесь, которая сгорает в объеме пламенной трубы с повышенным избытком воздуха. Предварительное перемешивание топлива с воздухом и отсутствие заградительного воздушного охлаждения создает условия для горения без локальных (с повышенной и пониженной температурой) зон факела.
Регулирование расхода воздуха и топлива позволяет на всех нагрузках держать избыток первичного воздуха в необходимых пределах при разных нагрузках турбокомпрессора. Оптимальное значение избытка воздуха, определяемого по минимальным значениям выбросов 1МОх и СО на всех режимах, находится при испытании камеры сгорания на стенде и уточняется при натурных испытаниях всей установки.
Воздух, поступающий во вторичную зону, обеспечивает охлаждение стенок пламенной трубы и снижает температуру продуктов сгорания до допустимой для турбины. По условиям организации процесса горения обедненной гомогенной смеси температуру стенки предпочтительно иметь не ниже 900 °С. Такие условия может обеспечить либо керамическое покрытие стенок, либо нанесение термобарьерного покрытия.
В процессе испытаний на газообразном топливе (природный газ) отработаны режимы запуска и набора нагрузки камеры сгорания на холодном воздухе при ручном управлении клапанами регулирования воздуха и природного газа [4].
Радиально-осевая турбина
малогабаритной газотурбинной установки МТГ-100
Для определения режимных и геометрических характеристик и выбора оптимальных параметров тепловой схемы и ее отдельных элементов было выполнено расчетное исследование. Точные значения диаметра определялись при детальном оптимизационном расчете радиально-осевой турбины с использованием программного комплекса, пространственное профилирование осуществлялось по разработанной методике. Трехмерное изображение соплового аппарата показано на рис. 6. Размеры рабочего колеса компрессора выбирались также в этих пределах исходя из опытов проектирования подобных ГТУ.
4
Рис. 3. Трехмерное изображение МТГ-100
Компрессор малогабаритной газотурбинной установки МТГ-100
Газодинамические расчеты и профилирование лопаточного аппарата малогабаритного центробежного компрессора выполнялись по методике профессора Ю.Б. Галёркина (СПбГПУ). Оптимизация основных размеров ступени проводилась при скорости вращения 60 000 об/мин. Эти расчеты включали в себя: определение характеристик центробежного компрессора, пространственное профилирование рабочего колеса (РК) на основе анализа диаграмм поверхностных скоростей, уточнение размеров РК и диффузора, профилирование неподвижных элементов проточной части и окончательный расчет характеристик.
Рис. 4. Лепестковый газодинамический подшипник
1 — пазы под лепестки; 2 — лепестки; 3 — кольцо стопорное
Расчеты показали, что в силу повышенных потерь трения в узких каналах ПЧ ожидаемый КПД вряд ли превысит 80 %. Но за счет повышения диаметра РК и увеличения коэффициента теоретического напора отношение давлений может даже превысить требование первоначального техзадания лк= 3,8, так что турбина ГТУ в состоянии сообщить компрессору требуемую мощность 163 кВт. Реальная ступень при 60000 об/мин имеет окружную скорость 503 м/с (при заданной температуре входа 288 К. Эти характеристики будут уточняться при экспериментальной доводке центробежного компрессора.
Рекуператор малогабаритной газотурбинной установки МТГ-100
Для решения поставленных задач по созданию ГТУ малой мощности были проведены необходимые исследования на предмет возможности создания высокоэффективного теплообменника рекуперативного типа со степенью регенерации на уровне ц =0,9.
В задачу расчета теплообменника входило определение как тепловых потоков между теплоносителями, так и мощности источника механи-
Рис. 6. Сопловой аппарат радиально-осевой турбины
ческой энергии, расходуемой на преодоление сил трения и сопротивления, возникающих при движении теплоносителей через теплообменник.
Для теплообменников, работающих на жидкостях большой плотности, затраты энергии на преодоление сил трения обычно малы по сравнению с тепловыми нагрузками поверхности, вследствие чего влияние затрат мощности на преодоление трения редко является определяющим. Однако в теплообменниках, работающих на средах малой плотности, например на газах, затраты механической энергии на преодоление силы трения могут достигнуть величины, близкой к количеству энергии, передаваемой в виде тепла.
Высказанные соображения привели к разработке множества методов конструирования развитых те плообменных поверхностей газовых теплообменников. Такие поверхности называются компактными, так как у них большое отношение их площади к объему теплообменника.
К результатам работы можно отнести:
1. На основе комплекса современных расчет-но-экспериментальных методов разработана и создана энергетическая газотурбинная установка (ГТУ) с электрической мощностью 100 кВт со следующими техническими характеристиками:
Электрическая мощность.......................... 100 кВт
Диапазон изменения температуры
окружающей среды........................(240—320) К
Коэффициент потерь полного давления
во входном устройстве................................ 0,96
Внутренний КПД компрессора
по полным параметрам...............не менее 0,82
Начальная температура газа
перед турбиной........................................1173 К
Степень повышения давления
в компрессоре.................................................3,8
Степень регенерации.........................................0,9
Внутренний КПД турбины
по полным параметрам.................не менее 0,9
Коэффициент потерь полного
давления в выходном устройстве...............0,96
Диапазон изменения мощности..........0—111 кВт
Частота вращения ротора
турбины...................................до 60000 об/мин
Электрический КПД МТГ-100 не менее 0,31—0,32
2. Использованы новые технические решения: малорасходные центробежные компрессоры и ра-
диально-осевыетурбины, выносные малотоксичные камеры сгорания, газодинамические подшипники, высокооборотные электрогенераторы с преобразователями позволили создать малогабаритную ГТУ, не имеющую аналогов в России и по некоторым показателям превышающую ГТУ малой мощности фирм Honeywell, Elliott, Capstone (США), атакжеТигЬес (VolvoAero, Швеция).
3. Созданы технологическая (НТЦ "Микротурбинные технологии") и экспериментальная (СПбГПУ, НТЦ "Микротурбинные технологии", ЦКТИ им. Ползунова) базы, позволяющие в короткие сроки изготавливать и проводить экспериментальные, доводочные и сдаточные испытания основных узлов, деталей и ГТУ в целом с высокой точностью и достоверностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Performance and Durability of High Temperature Foil Air Bearings for Oil |Текст] / NASA // Free Turbomachimery. TM-2000-209187. 2000.
2. Беседин, C.H. Автономные газотурбинные установки малой мощности [Текст] / С.Н. Беседин // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2009. № 4-1(89).
3. Беседин С.Н. Автономные источники электрической и тепловой энергии [Текст] / С.Н. Бе-
седин, Н.А. Забелин, С.Ю. Олейников [и др.] // Труды союза изобретателей,— 2010,— N° 1.
4. Беседин, С.Н., Расчетно-экспериментальное исследование малотоксичной камеры сгорания для газотурбинной установки малой мощности [Электронный ресурс] / С.Н. Беседин, В.А. Асосков, Г.А. Фокин // Электронный журнал "Исследовано в России", 2010,— 002, стр.30-37. г. Ь«р://21шгпа1. ape.relarn.ru/articles /20107002.pdf
УДК621.1.016.4
В.М. Боровков, C.B. Скулин
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ПУНКТА НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Современный индивидуальный тепловой пункт — это комплекс устройств для присоединения внутренних инженерных сетей здания к наружным тепловым сетям. Кего главным задачам относятся преобразование и тонкое регулирование параметров теплоносителя, экономичное распределение тепла по системам теплопотребления и защита систем от аварийного повышения параметров теплоносителя.
В современных индивидуальных тепловых пунктах (ИТП) применяются передовые автоматические системы управления (АСУ), обеспечивающие полноценное регулирование тепловой нагрузки теплопотребляющих систем. Причем сегодня задача энергосбережения в индивидуальных тепловых пунктах решается только АСУ и теплоизоляцией оборудования ИТП.
Цель предлагаемой вниманию статьи — показать скрытый резерв экономии топлива с по-
мощью эксергетического анализа тепловой схемы ИТП. Рассмотрены виды эксергетических потерь ИТП, которые в числе прочих факторов влияют на перерасход топлива [1] на теплоисточнике. Проведен анализ возможностей снижения эксергетических потерь.
В качестве примера рассмотрим реальный объект капитального строительства — дошкольное образовательное учреждение (ДОУ) на 190 детей в Санкт-Петербурге. Проект индивидуального теплового пункта выполнен согласно техническим условиям присоединения к сетям централизованного теплоснабжения на температурный график 150—70 °С при расчетной температуре наружного воздуха -26 °С. Срезки графика, также согласно техническим условиям, не предусмотрены.
Проектная тепловая схема индивидуального теплового пункта изображена на рис. 1.
